CN1087648C - 一种微波化学反应装置 - Google Patents
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Abstract
一种微波化学反应装置，其特征在于：该装置包括一微波应用器，一置于微波应用器内的化学反应器，一置于微波应用器和化学反应器之间的电阻加热器；化学反应器的进料口和出料口通过微波应用器的两个微波截止管伸出于应用器之外，电阻加热体通过微波应用器上的抗流结构与外部电源相接；电阻发热体的排放方式和放置位置在满足对化学反应器均匀加热的前提下，还满足对微波场的最小干扰原则。本发明可以实现微波化学反应，且使普通加热方式与微波加热方式有机地结合起来，提高微波利用率。
Description
本发明涉及微波装置，特别提供了一种可用于化学反应的微波化学反应器。
在微波场作用下，材料内部的电损耗和磁损耗机制使微波电磁场能量快速转变为热能，实现对材料的快速加热。其快速、节能、无污染和过程易控等优势已在食品、医药、木材及材料加工等领域中得到充分体现；而其选择加热特性往往导致多相反应体系中出现局部高温分布(热点)，使反应在非均温条件下进行，这不仅导致反应速度、产物选择性及收率的大幅度提高，还时常产生一些传统催化理论难以解释的现象。在微波加热下，除常规反应或催化过程所必须考虑的因素外，反应物或催化剂的介电特性、微波场的分布、微波场能密度等也显著影响反应效果或催化效果。这些事实引起了化学家的浓厚兴趣，并予以大力研究。微波化学和微波催化，作为一门新的化学和催化技术，便由此应运而生。微波化学和微波催化技术表现出的独有优势受到诸如能源化工、环保、制药业的重视，迫切关注这一新兴技术在化学工业中应用的可能性和可行性。
尽管微波加热较之常规加热技术具有显著的节能优势，但微波能的使用价格高于常规能源的使用价格却是一个不容忽视的问题，特别是在石化、环保等大规模工业领域应用时，这一问题显得更为严重。另外，微波场在反应物或催化剂床层传播过程中的衰减、微波场自身分布的不均匀性以及反应物或催化剂的非均匀分布等因素，使反应物或催化剂难以在大体积范围得到宏观尺度的均匀微波加热，从而破坏反应过程的可控性。反应物或催化剂吸波能力的大小，直接决定微波加热效果，因而直接影响反应或催化效果。但不幸的是，现有的绝大多数工业催化剂在低温段都不具备良好的吸波能力，难以进行有效的微波加热。因而，研制既具有良好吸波能力又具有优异催化性能的微波催化剂成为应用微波催化的重要条件之一。事实证明，满足这一条件难度很大，不利于微波催化技术的应用。因此，如何有效利用微波功率、如何在大体积范围实现宏观尺度均匀微波加热、如何设计研制既具有很好催化活性又有良好吸波能力的微波催化剂，自然成为微波催化技术能否在工业上得到应用所必须解决的关键技术问题。
几十年来，为适应食品、木材及制药业对微波加热技术的需求，微波功率应用专家发明设计了多种微波加热装置，如行波腔应用器、环行极化行波腔应用器、喇叭状天线辐射应用器、行波谐振腔应用器以及驻波谐振腔应用器等。这些装置一般都不适于高温应用，而且对均匀加热的要求都不太高，因此，微波功率的有效利用和大体积均匀微波加热的问题显露得并不严重。近二十年来，随着材料微波加工技术，特别是陶瓷微波烧结技术的发展，上述两个问题的解决已刻不容缓。英国科学家五年前提出了将微波加热与常规燃油或燃气加热相结合的方法，以实现大尺寸陶瓷件的高质量烧结，取得了较为明显的节能省时效果。随后，英国EA技术公司的工程师提出了微波加热与常规电阻加热相结合的方案，设计出微波加热与电阻加热耦合式马弗炉，为微波功率的高效利用和实现大体积尺度的均匀加热找到了一条颇有价值的技术路线。但是，这两种设计未考虑物料进出、反应容器放置问题，不适应化工，特别是多相催化应用。
本发明的目的在于提供一种以化工，特别是多相催化为应用对象的微波加热与电阻加热耦合的设计方法和相应的可装填不同催化剂或反应物料体积的耦合加热反应装置，其可以实现微波条件下的化学反应，且使普通电阻加热方式与微波加热方式有机地结合起来，提高微波利用率。
本发明提供了一种微波化学反应装置，其特征在于：该装置包括一微波应用器(1)，一置于微波应用器(1)内的化学反应器(2)，一置于微波应用器(1)和化学反应器(2)之间的电阻加热体(3)；化学反应器(2)的进料口(21)和出料口(22)通过微波应用器(1)的两个微波截止管伸出于应用器之外，电阻加热体(3)通过微波应用器(1)上的抗流结构与外部电源相接；电阻发热体(3)的排放方式和放置位置在满足对化学反应器(2)均匀加热的前提下，还满足对微波场的最小干扰原则。
为了防止微波能的泄漏，电阻发热体的电极必须置于抗流结构中，本发明所提供的抗流结构主要为一伸出微波应用器(1)外带有狭窄颈部的抗流腔(11)，颈部内衬绝缘管(12)，远端由中心带孔的绝缘板(13)和金属盖(14)封堵，电极(31)穿过中心通孔和抗流腔(11)颈部进入到微波应用器(1)中。
一般地说，电阻发热体的排放方式(或称电阻发热体的缠绕方式)和放置位置必须满足与微波场最小相干原则。即，既不要让电阻发热体对微波场产生过大的扰动，又不能让微波能过多地消耗在对电阻发热体的加热上，特别是当使用导电率不太大的陶瓷发热体时，这一点更需注意。对于单模式的微波化学反应装置，微波应用器(1)宜选用园形谐振腔，电阻发热体(3)沿着微波传播方向排列固定在低损耗的绝缘高温陶瓷管(32)上，且陶瓷管的直径应大于该园形谐振腔微波的截止波长。
为了获得对化学反应体系的均匀的微波处理，微波能的馈入方式的设计是非常重要的，本发明对于多模式微波化学反应器，选择喇叭状的环形会聚天线(15)作为微波馈入口，与之相对设置喇叭状调谐结构(16)，同时会聚天线(15)和调谐结构(16)还作为微波应用器的截止口，化学反应器的进出料口(21)(22)分别从其间穿过。
总之，本发明1.从原理上通过温度梯度相反的两种加热方法的有机结合，实现了正负温度梯度互补，使催化剂床层的加热均匀性得到大幅度提高。如，对φ50mm×30mm体积的催化剂床层进行加热，复合加热可使该床层实现均匀加热，而单独微波加热仅能使约1/5的体积得到均匀加热。
2.大幅度降低对微波功率的需求，使微波功率得到高效利用。多数石油化工、天然气化工和环保涉及的催化反应都是在高温下进行。如单独使用微波加热，大部分的微波能将消耗于催化剂床层的升温。如果这段对反应不具关键作用的升温过程用常规电阻加热来实现，微波能只用于触发和维持反应。这样，不仅能充分发挥微波催化的作用，还使有限的微波功率得到高效利用。如加热50ml催化剂床层至800℃，单独微波加热需400瓦，而复合加热方法(室温～600℃用常规电加热，600～800℃用耦合加热，常规电加热只能使催化剂达到600℃)，所需微波功率不超过100瓦。显然，该方法对于微波催化技术的工业规模应用具有十分重要的价值。
3.较大幅度地降低了微波催化剂的设计难度。现有的绝大多数工业催化剂在低温段都存在吸波能力不足，难以进行有效的微波加热的问题。因而，研制既具有良好吸波能力又具有优异催化性能的微波催化剂成为应用微波催化的重要条件之一。事实证明，满足这一条件难度很大，不利于微波催化技术的应用。一般而言，材料的介电损耗都会随温度的提高而快速增加。利用这一特性，先用常规加热方法将催化剂加热到足以吸收微波能的温度，再进行微波加热。这样就可以将催化剂从室温开始就具有良好吸波能力的要求弱化为在接近反应温度时具有良好吸波能力，从而大大降低催化剂的选择难度，使现有工业催化剂的使用变为可能。这对于缩短微波催化技术的实用化进程无疑具有重要的促进作用。
下面通过实施例详述本发明。
附图1为单模式圆形腔耦合加热反应系统结构示意图。
附图2为抗流器结构示意图。
附图3为多模式耦合加热反应系统的结构示意图。
实施例1
图1是一种单模式圆腔耦合加热反应系统的结构示意图。微波频率可选用400MHz～10000MHz.首选915MHz和2450MHz两种频率。本例所用微波频率为2450MHz。单模圆腔内径96mm，电阻发热体(3)沿着微波传播方向排列固定在低损耗绝缘高温陶瓷管(32)上(如氧化铝陶瓷)，并置于圆腔内直径80mm的圆筒位置。陶瓷管与微波腔之间充填低损耗隔热陶瓷纤维(如氧化铝纤维、硅酸铝纤维、石英纤维等)。电阻加热电极(31)固定在图2所示的抗流结构中。抗流结构主要为一伸出微波应用器(1)外带有狭窄颈部的抗流腔(11)，颈部内衬绝缘管(12)，远端由中心带孔的绝缘板(13)和金属盖(14)封堵，电极(31)穿过中心通孔和抗流腔(11)颈部进入到微波应用器(1)中。陶瓷或玻璃(包括石英玻璃)反应器沿微波应用器的轴线放置，可装填的最大催化剂体积为50ml(能得以均匀加热的最大体积)。催化剂(23)放置在电阻加热区的化学反应器(2)内，并处于微波应用器(1)中部电场最强处。反应物料可由下而上，也可由上而下通过化学反应器(2)。产物从相反方向流出。微波能由微波源产生通过微波能馈口(17)进入反应器(1)的谐振腔中，由短路活塞(18)进行调谐。
实施例2
图3是另一种多模式耦合加热反应系统的结构示意图。微波频率可选用400MHz～10000MHz，首选915MHz和2450MHz两种频率。本例所用微波频率为2450MHz。多模谐振腔可为矩形腔，也可为圆形腔。本例采用圆形多膜谐振腔，内部尺寸直径500mm，高400mm。微波能由微波源产生，经环形会聚天线(15)进入多模谐振腔，与之相对的圆形谐振腔上盖安置一喇叭形调谐结构(16)。电阻发热体(3)固定在与圆形谐振腔同轴并置于圆形谐振腔中部的绝缘低损耗陶瓷管(32)(如氧化铝陶瓷)上，陶瓷管直径260mm、高200mm。电阻发热体可沿陶瓷管轴向排列，也可垂直陶瓷管轴向以螺旋状方式排列。不过排列方式的不同将影响谐振腔中微波波形的建立。当电阻发热体沿陶瓷管轴向、间隔一定距离均布时，将抑制TM1mn波形在谐振腔中建立；当电阻发热体沿陶瓷管壁螺旋状排列时将抑制TE1mn波形在谐振腔中建立。电阻加热体电极固定在图2所示的抗流结构中。陶瓷管与微波腔之间充填低损耗隔热陶瓷纤维(如氧化铝纤维、硅酸铝纤维、石英纤维等)。陶瓷或玻璃(包括石英玻璃)反应器沿陶瓷管轴向放置。催化剂(23)放置在电阻加热区的化学反应器(2)内，并处于微波应用器(1)中部电场最强处。其进料通道和出料通道分别穿过由环形会聚天线中空部分和调谐结构的微波截止管，以阻止微波能沿反应器泄漏。该系统可使2000mml催化剂得以均匀加热。
Claims (4)
1.一种微波化学反应装置，其特征在于：具有单模式和多模式的该装置包括一微波应用器(1)，一置于微波应用器(1)内的化学反应器(2)，一置于微波应用器(1)和化学反应器(2)之间的电阻加热体(3)；化学反应器(2)的进料口(21)和出料口(22)通过微波应用器(1)的两个微波截止管伸出于应用器之外，电阻加热体(3)通过微波应用器(1)上的抗流结构与外部电源相接；电阻发热体(3)的排放方式和放置位置在满足对化学反应器(2)均匀加热的前提下，还满足对微波场的最小干扰原则。
2.按照权利要求1所述微波化学反应装置，其特征在于：抗流结构主要为一伸出微波应用器(1)外带有狭窄颈部的抗流腔(11)，颈部内衬绝缘管(12)，远端由中心带孔的绝缘板(13)和金属盖(14)封堵，电极(31)穿过中心通孔和抗流腔(11)颈部进入到微波应用器(1)中。
3.按照权利要求1、2所述微波化学反应装置，其特征在于：对于单模式的微波化学反应装置，微波应用器(1)选用园形谐振腔，电阻发热体(3)沿着微波传播方向排列固定在低损耗的绝缘高温陶瓷管(32)上，且陶瓷管的直径应大于园形谐振腔微波的截止波长。
4.按照权利要求1、2所述微波化学反应装置，其特征在于：对于多模式微波化学反应器，选择喇叭状的环形会聚天线(15)作为微波馈能结构，与之相对设置喇叭状调谐结构(16)，同时会聚天线(15)和调谐结构(16)还作为微波应用器的截止口，化学反应器(2)的进出料口(21)(22)分别从其间穿过。
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| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |